DE3731180A1 - Verfahren und vorrichtung zum spritzerfreien zuenden des schweisslichtbogens beim teil- oder vollmechanischen schweissen mit abschmelzender elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum spritzerfreien Zünden des Schweißlichtbogens beim teil- oder vollmechanischen Schweißen mit ab­ schmelzender Elektrode.

Während der Zündphase ist besonders beim teil- oder vollmechanischen Metallschutzgas-Schweißen derzeit eine starke Spritzerbildung unvermeidlich. Dies mindert die hohe Qualität der Schweißverbindung und erfordert eine Nachbearbeitung der Werkstückoberfläche in der Umgebung des Nahtanfangs.

Die Ursache der Spritzerentstehung ist eine Folge von über­ schüssigem Zusatzwerkstoff und von unkontrolliertem Schweiß­ stromanstieg beim Start. Die Drahtelektrode wird zum Zün­ den mit geringer Geschwindigkeit vorgeschoben (Einschleich­ geschwindigkeit); zwischen der Elektrode und dem Werkstück liegt die Leerlaufspannung der Energiequelle an. Zum Zeit­ punkt der Kontaktierung kommt es zum spontanen Abfallen der Spannung und zu einem schnellen, durch die Bauart der Energiequelle bestimmten Stromanstieg. Die Drahtelektrode wird durch Widerstandserwärmung erhitzt; Bereiche der Elektrode erreichen den schmelzflüssigen Zustand mit ver­ mehrtem Leistungsumsatz und platzen explosionsartig weg, wodurch Spritzer unterschiedlicher Größe einschließ­ lich ganzer Drahtstücke in die Umgebung geschleudert werden. In dem entstandenen Freiraum kann sich ein Lichtbogen ausbreiten, sofern dessen Länge und weitere Randbedingungen, die nicht zuletzt von der treibenden Energiequelle gesetzt werden, dies zulassen.

In der Vergangenheit ist verschiedentlich versucht wor­ den, die Spritzerbildung während der Zündphase eines Metallschutzgas-Schweißprozesses zu reduzieren. Mittels Hochspannungszündgeräten, wie sie unter anderem vom WIG-Verfahren ohne abschmelzende Elektrode bekannt sind, konnte eine Verbesserung der Zündsicherheit, nicht je­ doch der Spritzerfreiheit erreicht werden. Dagegen muß beim Einsatz von Hochspannungszündgeräten mit Problemen der Personengefährdung, mit Zerstörung elektronischer Steuerschaltungen der Schweißanlage sowie mit Fehlfunktio­ nen elektronischer Peripheriegeräte gerechnet werden.

Eine ältere Entwicklung stellt das Zünden mittels magne­ tisierbarer Eisenfeilspäne dar, die vor dem Schweißen auf die Elektrode aufgebracht werden und stachelartig abstehen. Bei Annäherung an das Werkstück bilden diese Späne eine Kontaktbrücke und ermöglichen ein leichtes Zünden des Lichtbogens. Wegen des schwierigen Anbringens der Späne auf die Elektrodenspitze und der keineswegs sichergestellten Spritzerfreiheit konnte sich dieses Verfahren nicht durchsetzen.

Eine weitere Entwicklung ist in der DE-OS 31 51 077 beschrieben. Dort ist ein Verfahren zum sicheren Zün­ den des Lichtbogens an abschmelzender Elektrode angege­ ben. Die Drahtelektrode wird mit Einschleichgeschwindig­ keit auf das Werkstück zubewegt; durch die Werkstück­ kontaktierung erfolgt ein Abfall der Spannung und ein Anstieg des Stromes im Schweißstromkreis. Dieses Signal wird zum Umschalten des Drahtvorschubmotors genutzt, so daß die Drahtelektrode eine Reversierbewegung durchführt. Diese wird so lange vom Werkstück zurückgezogen, bis in Abhängigkeit von der Schweißspannung das Umschalten des Vorschubmotors auf die vorgewählte, vorwärtsgerichtete Drahtgeschwindigkeit erfolgt. Auch dieses Verfahren er­ laubt kein spritzerfreies Zünden des Schweißlichtbogens, da während der Berührphase sich ein je nach Energiequel­ lentyp steiler und unkontrollierter Stromanstieg im Schweiß­ stromkreis einstellt, der unvermeidlich zum explosions­ artigen Fortschleudern von Elektrodenwerkstoff führt.

Vorliegende Erfindung schafft ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung, mit deren Hilfe und unter Einsatz elektronisch geregelter Schweißenergiequellen, ein spritzerfreies oder zumindest ein sehr spritzer­ armes Zünden eines Lichtbogenprozesses mit abschmel­ zender Elektrode ermöglicht wird. Hierzu ist es not­ wendig, sowohl den Elektrodenantrieb als auch die Schweißenergiequelle gezielt zu steuern. Das Verfahren eignet sich für Schweißanlagen, die mit oder ohne Schlauchführung zwischen Vorschubgerät und Schweißbrenner ausgerüstet sind. Insbesondere wurde das Verfahren im Hinblick auf praxisübliche Elektroden­ vorschubgeräte mit wenig dynamischen Antrieben ausgelegt, die ein präzises Rangieren der Elektrode an der Kontakt­ spitze des Schweißbrenners nicht zulassen.

Nachfolgend wird der chronologische Ablauf des Zündpro­ zesses mit elektronisch gesteuerter Drahtvorschubbewegung und elektronisch angepasstem Energiequellenverhalten für einen Sprühlichtbogenprozeß erläutert.

Durch Betätigen des Startschalters werden der Schutzgas­ strom und der Drahtvorschub eingeschaltet; dessen Ge­ schwindigkeit ist zunächst niedrig (Einschleichen). Bei Kontaktierung der Drahtelektrode mit dem Werkstück bricht die Leerlaufspannung der Schweißenergiequelle zusammen; die in Stromregelung betriebene Energiequelle speist einen wählbaren, niedrigen Konstantstrom in den Elektroden- Werkstück-Kurzschluß ein, ohne den Elektrodenwerkstoff auf seiner gesamten freien Länge wesentlich zu erwärmen. Der Drahtvorschubantrieb kann während der Konstantstrom- Phase wahlweise gestoppt oder auf niedriger Geschwindigkeit gehalten werden. Der konstante Startstrom führt zu einer Lichtbogenbildung mit geringer Leistung, die jedoch dazu ausreicht, Elektrodenwerkstoff aufzuschmelzen und gege­ benenfalls trotz einer (unkontrollierten) Vorschubbewegung die Lichtbogenlänge zu vergrößern.

Mit wachsender Lichtbogenlänge steigt bei konstantem Strom die Prozeßspannung. Erreicht diese eine gewisse, einstellbare Schwelle, wird vom Steuergerät über die Energiequelle ein definierter Stromimpuls eingeleitet, der die Ablösung des mehr oder weniger großen Tropfens, der sich am Elektrodenende durch die Werkstoffaufschmel­ zung zwangsläufig bildet, bewirkt. Dadurch werden Spritzer und Kurzschlüsse verhindert, die ansonsten bei unkontrol­ liertem Tropfenübergang auftreten.

Nach der Tropfenablösung durch den Stromimpuls werden die Drahtvorschubgeschwindigkeit und der (geregelte) Schweißstrom kontinuierlich und aufeinander abgestimmt erhöht. Durch die Anpassung der Stromanstiegsgeschwindigkeit an die im allgemeinen mäßige Beschleunigung des Drahtvor­ schubmotors üblicher Drahtfördergeräte kann die Licht­ bogenlänge konstant gehalten werden, weil Abschmelzlei­ stung und Drahtgeschwindigkeit gleichmäßig zunehmen.

Um die Totzeit, die zu Beginn der Draht-Beschleunigungs­ phase bei Verwendung einer Schlauchführung zwischen An­ trieb und Brenner auftritt, zu kompensieren, ist es zweckmäßig, den Stromanstieg gegenüber der Drahtvor­ schub-Beschleunigung um eine wählbare Zeitspanne zu ver­ zögern.

Die Schweißvorschubbewegung setzt mit dem Stromanstieg ein. In der Startstrom- und Stromanstiegsphase arbeitet die Schweißenergiequelle aus Prozeßstabilitätsgründen in Stromregelung und geht mit Erreichen der Prozeß- Sollspannung selbsttätig in Spannungsregelung über (variable L-Kennlinie).

Der erfindungsgemäße Zündprozeß beim Impulslichtbogen­ schweißen (Puls-Arc-Verfahren) unterscheidet sich bis zur Stromanstiegsphase nicht von dem desSprühlichtbogen­ zündens. Hier bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, den mittleren Strom parallel zum Hochlauf des Draht­ vorschubs anzuheben, nämlich
durch stetiges, synchrones Anheben des Startstromes auf stationäre Grund- und Pulsströme bei stationären Zeit­ parametern und/oder
durch stetiges Anheben des Startstromes auf den stationären Grundstrom, synchron mit einer stetigen, von null aus­ gehenden Impulsverbreiterung auf den stationären Wert bei stationärer oder verschiedener Impulshöhe und/oder
durch Einschalten einer Impulsfolge mit stationären Parame­ tern und stetig auf den stationären Wert steigender Impulsfrequenz.

Diese Maßnahmen können sowohl einzeln als auch in Unterkombinationen als auch in der Gesamtkombination dieser drei Maßnahmen durchgeführt werden.

Alle Parameter sind mittels Potentiometer einstellbar. Auch beim Zünden des Impulslichtbogens ist eine An­ passung des Anstiegs des Strommittelwertes an die Draht­ vorschubbeschleunigung erforderlich.

Das Wesen vorliegender Erfindung wird durch die bei­ liegenden Fig. 1 bis 3 weiterhin erläutert, die bevor­ zugte Ausführungsformen darstellen.

Es zeigen:

Fig. 1 den steuerungstechnischen Aufbau der Schweiß­ prozeßzündeinrichtung.

Fig. 2 den Zündvorgang bei einem Sprühlichtbogenprozeß in grafischer Darstellung über der Zeit.

Fig. 3 den Anstieg des mittleren Schweißstroms bei Puls-Arc-Technik über der Zeit dargestellt.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 die Steuerung bezeichnet, in die folgendes eingeht: Totzeit-Ausgleich 2, Draht-Hochlaufgeschwindigkeit 3, Strom-Anstiegsgeschwindigkeit 4, Puls-Arc-Parameter 5, Prozeß-Sollspannung 6, Ist-Wert-Schweißspannung 7, Startstrom 8, Draht-Einschleichgeschwindigkeit 9 und Startsignal 10. Die geregelte Schweißenergiequelle (I-Regler; U-Regler) trägt das Bezugszeichen 11. Der Elektrodenvor­ schub trägt das Bezugszeichen 12. Der Schweißbrenner trägt das Bezugszeichen 13. Das Werkstück trägt das Bezugs­ zeichen 14.

Der Ablauf des Zündvorgangs gemäß vorliegender Er­ findung wird von der in Fig. 1 dargestellten Steue­ rung, die auf die Strom- und Spannungsregler der Ener­ giequelle sowie auf das Elektroden-Vorschubgerät wirkt, gesteuert.

Dazu gehen folgende Signale bzw. Größen in die Steuerung ein:

Das Startsignal, das entweder von Hand gegeben oder von einer automatischen Anlage ausgelöst werden kann und den Ablauf des Zündprozesses initiiert.

Ein Sollwert für die Draht-Einschleichgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit, mit der sich die Elektrode nach dem Startsignal dem Werkstück nähert und die sie während der Startphase bis zum Hochlaufvorgang beibehält.

Ein Sollwert für den Strom, den die Energiequelle während der Startphase bis zum Hochlaufvorgang in den Prozess ein­ speist.

Der Istwert der Prozess-Spannung, anhand dessen die Licht­ bogenbildung kontrolliert und gegebenenfalls stabilisiert wird und so der Hochlaufvorgang im geeigneten Moment aus­ gelöst wird.

Die Prozess-Sollspannung, auf die die Energiequelle nach dem Hochlaufvorgang regelt.

Die Parameter des Puls-Arc-Prozesses, also die Zeit- und Amplituden-Größen, die von der Energiequelle nach der Startphase hochgefahren und im stationären Prozeß eingehalten werden.

Die Strom-Anstiegsgeschwindigkeit, also die Geschwin­ digkeit, mit der der (bei Puls-Arc mittlere) Schweiss­ strom nach der Startphase von der Energiequelle kontrol­ liert und auf den Drahtvorschub abgestimmt angehoben wird. Die Drahthochlaufgeschwindigkeit, die entweder die an­ triebstechnisch maximal mögliche oder eine geringere sein kann.

Ein Wert für den Totzeit-Ausgleich, der, wenn nötig, den Stromanstieg gegenüber dem Signal für den Draht- Hochlauf verzögert, um eine Totzeit, die durch die Schlauch­ führung der Elektrode zwischen Antrieb und Schweissbrenner entstehen kann, zu kompensieren.

Claims (8)

1. Verfahren zum spritzerfreien Zünden des Schweißlichtbogens beim mechanischen oder automatischen Schweißen mit ab­ schmelzender Elektrode, die zum Zünden mit geringer Geschwindigkeit vorwärts bewegt und auf das Werkstück aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenzündung mittels einer beliebig steuer­ baren, geregelten Schweißenergiequelle kontrolliert er­ folgt und der Lichtbogenstrom nach einem bestimmten Pro­ gramm der von einem konventionellen Drahtfördergerät be­ wirkten Elektrodenbeschleunigung angepasst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißenergiequelle während und unmittelbar nach dem Aufsetzen der Schweißelektrode auf das Werkstück in Stromregelung mit geringem, konstantem Sollwert solange betrieben wird, bis sich eine gewisse Lichtbogenspannung einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei konstant langsam geförderter Schweißelektrode und bei Konstantstrom sich einstellende Lichtbogenprozeßspannung von einem Komparator mit einer wählbaren Schwelle verglichen und bei deren Überschreitung ein Schaltvorgang ausgelöst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Schaltvorgang ein oder mehrere definierte Stromimpulse zur Ablösung des durch Werkstoffaufschmelzung während der Konstantstromphase gebildeten Tropfens am Elektrodenende von der Energiequelle erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Schaltvorgang eine Beschleunigung der Elektrodenförderung und dazu an­ gepasst eine Steigerung der Abschmelzleistung über die Erhöhung des Stroms eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigerung der Abschmelzleistung bei Puls-Arc-Prozessen durch stetiges, synchrones Anheben des Startstromes auf stationäre Grund- und Pulsströme bei stationären Zeit­ parametern und/oder durch stetiges Anheben des Startstromes auf den stationären Grundstrom, synchron mit einer stetigen, von Null aus­ gehenden Impulsverbreiterung auf den stationären Wert bei stationärer oder verschiedener Impulshöhe und/oder durch Einschalten einer Impulsfolge mit stationären Parametern und stetig auf den stationären Wert stei­ gender Impulsfrequenz erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des stationären Schweiß­ prozesses selbsttätig nach Erreichen der stationären Drahtvorschubgeschwindigkeit durch Verwendung einer L-Kennlinie der Schweißenergiequelle eingestellt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Steuerung (1) aufweist, in die folgendes eingeht: Totzeit-Ausgleich 2, Draht-Hochlaufgeschwin­ digkeit 3, Strom-Anstiegsgeschwindigkeit 4, Puls- Arc-Parameter 5, Prozeß-Sollspannung 6, Ist-Wert- Spannung 7, Startstrom 8, Draht-Einschleichgeschwin­ digkeit 9 und Startsignal 10, durch eine geregelte Schweißenergiequelle (I-Regler, U-Regler) 11, einen Elektrodenvorschub 12, sowie den Schweißbrenner 13, in dessen Umgebungsbereich sich das Werkstück 14 be­ findet.